The invention relates to a telesurgical system comprising: - a slave, which has a drive unit driving a gripping end effector, a kinematic coordinate of the end effector and a gripping force Feffector being determinable, - a camera, preferably integrated into the slave and being oriented towards the end...http://www.google.com.au/patents/WO2016120110A1?cl=en&utm_source=gb-gplus-sharePatent WO2016120110A1 - Telesurgical system with intrinsic haptic feedback by dynamic characteristic line adaptation for gripping force and end effector coordinates

Telesurgical system with intrinsic haptic feedback by dynamic characteristic line adaptation for gripping force and end effector coordinatesWO 2016120110 A1

Abstract

The invention relates to a telesurgical system comprising: - a slave, which has a drive unit driving a gripping end effector, a kinematic coordinate of the end effector and a gripping force Feffector being determinable, - a camera, preferably integrated into the slave and being oriented towards the end effector, and - a master, which is remotely connected to the slave, having at least one control unit on which an user can exert a gripping force FG, said gripping force being transmitted to the slave, and having a visual user interface representing the image of the camera, with the proviso that FG is linearly dependent on the kinematic coordinate and Feffector.

Das Teleoperationssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bestimmung der The tele-operation system according to one or more of the preceding claims, wherein the determination of

Greifkraft F G durch Ableitung der Interaktionskraft zwischen Bedien-Einheit und Benutzer durch ein oder mehrere der folgenden Verfahren erfolgt: Gripping force F G by derivation of the interaction force between the operating unit and the user through one or more of the following occurs:

Das Teleoperationssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine The tele-operation system according to one or more of the preceding claims, characterized by a

Einheit zur Erzeugung eines taktilen haptischen Feedbacks an der Bedien-Einheit, wobei durch einen Sensor im Slave eine Frequenz erfasst wird, die an die Einheit zur Unit for generating a tactile haptic feedback at the control unit, wherein a frequency is detected by a sensor in the slave, for the unit to the

Das Teleoperationssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden zwei Ansprüche, wobei die wirkende The tele-operation system according to one or more of the preceding two claims, wherein the force acting

regelungstechnische Instabilitäten im System zu technical control instabilities in to system

reduzieren . to reduce .

Das Teleoperationssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden drei Ansprüche, wobei die durch einen Sensor im Slave erfasste Frequenz in Abhängigkeit von Umgebungswerten gefiltert wird, um eine Stabilität in einem Regelkreis zu erhalten. The tele-operation system according to one or more of the preceding three claims, wherein the detected by a sensor at the slave frequency is filtered in dependence on ambient values, in order to obtain a stability in a control loop.

Das Teleoperationssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden vier Ansprüche, wobei der Sensor im Slave einer oder mehrere der folgenden sind: The tele-operation system according to one or more of the preceding four claims, wherein the sensor in the slave are one or more of the following:

Das Teleoperationssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Kamerabild eine zusätzliche digitale Darstellung der aktuellen The tele-operation system according to one or more of the preceding claims, wherein in the camera image, an additional digital display of the current

Endeffektorkoordinate überlagerbar ist, vorzugsweise durch eines oder mehrere der folgenden: Endeffektorkoordinate is superimposed, preferably by one or more of the following:

Das Teleoperationssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Steuerungsrechner ausgebildet ist, um eine differentielle Kraftmessung an der Bedieneinheit durchzuführen, indem die Greifkraft für Daumen und Zeigefinger getrennt voneinander misst, und vorzugsweise den jeweils kleinere oder größeren der beiden gemessenen Werte für die Greifkraft auswählt. The tele-operation system according to one or more of the preceding claims, wherein a control computer is designed to perform a differential force measurement on the control unit by the gripping force of the thumb and forefinger measures separated from each other, and preferably the respectively smaller or larger of the two measured values of the gripping force selects.

Einen Slave für ein Teleoperationssystem, vorzugsweise nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: A slave for a teleoperation system, preferably according to one or more of the preceding claims, comprising:

- mindestens drei als Tripod angeordneten Schubstangen, die jeweils zwei aktive Freiheitsgrade in Form von - At least three arranged as Tripod pushrods of two active degrees of freedom in the form

Antrieb jeweils in den Freiheitsgraden angetrieben werden; Drive are each driven in the degrees of freedom;

- mit einem Endeffektor, der jeweils über kinematische Ketten mit den Schubstangen verbunden ist, wobei die kinematischen Ketten so ausgebildet sind, dass der - With an end effector, which is connected in each case via kinematic chain with the push rods, the kinematic chains are formed so that the

Endeffektor in drei Dimensionen ausrichtbar ist und offenbar und schließbar ist, durch Translation oder End effector in three dimensions can be aligned and clearly and closed is, by translation or

Rotation der Schubstangen. Rotation of the push rods.

Der Slave nach Anspruch 14, wobei eine kinematisch Kette als Hauptkette ausgebildet ist, deren Rotation zu einer Rotation des Endeffektors führt und deren Verschieben zu einem Verschieben des Endeffektors führt. The slave according to claim 14, wherein a kinematic chain is formed as the main chain, the rotation of which leads to a rotation of the end effector and whose displacement leads to a displacement of the end effector.

Der Slave nach einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei zwei Ketten als Nebenketten ausgebildet sind, deren The slave according to one of claims 13 to 14, wherein two chains are formed as side chains, the

Verschiebung zu einem Verschieben des Endeffektors führt, und deren Rotation zu einem Öffnen oder Schließen oder Abwinkein führt. Shifting in a shifting of the end effector leads, and the rotation of which leads to an opening or closing or angling.

Arbeitskanal. Working channel.Die Verkopplung der beiden Systeme erfolgt The coupling of the two systems is done

elektrisch im Steuerrechner. electrically in the control computer.

In der Figur 2 wird die Systemstruktur eines herkömmlichen Systems gezeigt. 2 shows the system structure of a conventional system is shown.Dieses System besteht aus einem als Master bezeichneten Impedanzsystem, und einem als Slave bezeichneten Admittanzsystem, das auch Slave genannt wird. This system consists of a system impedance designated as the master, and one designated as the slave Admittanzsystem, which is also called the slave.Das Mastersystem umfasst ein Mensch- Maschine-Interface, das in der Regel aus einem Bildschirm und entsprechenden Eingabemitteln besteht. The master system comprises a man-machine interface, which is usually made of a screen and corresponding input means.Der Benutzer gibt über eine kinematische Struktur Positionsanweisungen an den Slave. The user inputs via a kinematic structure position instructions to the slave.Über entsprechende Positionssensorik werden diese an eine Using appropriate position sensors, these are a

Kontrolleinheit geleitet, die dann einen oder mehrere Aktuatoren antreibt, der oder die im Slave angeordnet sind ist. directed control unit, which then drives one or more actuators, the or are arranged in the slave.Der Aktuator wiederum steuert eine kinematische Struktur, die dann einen The actuator in turn controls a kinematic structure which then a

Zugriff auf die Umgebung bzw. das Gewebe hat. has access to the environment or the tissue.Durch einen oder mehrere Kraftsensoren wird vom Slave über die Kontrolleinheit ein Feedback gegeben, das wiederum in der Master-Einheit einen oder mehrere Aktuatoren antreibt, der einen Einfluss auf die Through one or more force sensors, a feedback from the slave via the control unit, where the drives turn in the master unit one or more actuators, which may impact on

Feedbacks in der Bedieneinheit eines Teleoperationssystems . Feedback in the operating unit of a teleoperation system.Dabei wird, verglichen mit dem aktuellen Stand der Technik, auf einen Aktuator im Nutzerinterface verzichtet und der mesStechnische Aufwand im Endeffektor verringert . At this time, compared with the current state of the art, no need for an actuator in the user interface and the technical effort is reduced in the end effector.Das pseudohaptisehe Feedback entsteht unter Ausnutzung des im Rahmen der Anwendung bestehenden visuellen Feedbacks und der Verarbeitung unterschiedlicher The pseudohaptisehe feedback produced by utilizing the existing in the application of visual feedback and processing different

Schließwinkel Phi repräsentativ für die zuvor beschriebene Klasse an Endeffektoren genutzt, er soll somit auch die kinematische Koordinate umfassen. Closing angle Phi used representative of the class described above to end effectors, it should therefore also include the kinematic coordinate.Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Endeffektor nicht scherenartig bzw. rotatorisch über ein Gelenk geschlossen wird, sondern über einen zB linearen Verfahrweg. This is particularly the case when the end effector is not closed like scissors or rotatorily about a hinge, but for example, a linear travel path.Die Antriebseinheit wird auch Aktuator genannt und kann ein Motor oder können mehrere Motoren mit und/ohne Getriebe oder Kupplung sein. The drive unit is also called actuator and can be a motor or can with and / or without gear coupling several motors to be.Dieser Motor ist in einem Slave-Gehäuse angeordnet, möglichst entfernt vom Gewebe, um Verunreinigungen zu verhindern. This motor is disposed in a slave housing as possible away from the tissue to prevent contamination.Der Motor treibt den Endeffektor, und insbesondere dessen Greifer an. The motor drives the end effector, and in particular its gripper on.Es ist zu beachten, dass es auch weitere Motoren gibt, um weitere It should be noted that there are other motors to further

Bedieneinheit zwei Bedienmittel, die für die rechte und die linke Hand eingesetzt werden. Control unit has two operating means which are used for the right and left hand.Mit diesen Bedieneinheiten können These operating units

Bewegungen durchgeführt werden, die in der Regel in mehreren Dimensionen ausführbar sind. Movements are performed that are executable in several dimensions normally.Das Greifen mit dem Endeffektor mit der Greifkraft F G erfolgt in der Regel durch einen Druck mit den Fingern auf einen Druckbereich, der in dem Bedienmittel der The engagement with the end effector with the gripping force F G is usually by a finger pressure to a pressure range of the in the operation means

Informationen der Greifkraft an den Slave übertragen werden. Information of the gripping force can be transmitted to the slave.

Ferner umfasst der Master ein visuelles Nutzerinterface, das das Bild der Kamera darstellt und somit ein Feedback erlaubt. Further, the master includes a visual user interface that represents the image of the camera and thus allows feedback.Die Information der Greifkraft wird zunächst an den Steuerrechner übertragen. The information of the gripping force is first transferred to the control computer.Der Steuerrechner wandelt die Greifkraft abhängig vom gegebenen mathematischen Zusammenhang in eine The control computer converts the gripping force depending on the given mathematical relationship in a

Öffnungswinkelvorgabe für den Endeffektor um, und sendet diese an den Slave. Opening angle set for the end effector in order, and sends it to the slave.

Bei der Vorrichtung ist zu beachten, dass gilt, dass F G linear abhängig vom Schließwinkel/einer kinematischen Koordinate und In the apparatus is to be noted that the following applies to F G linearly dependent on the closing angle / coordinate and a kinematic

F effektor ist. F is effector.Dh der Schließwinkel bestimmt sich aus der Greifkraft an dem Bedienmittel und von der Kraft, die am Endeffektor bestimmt wird. This means that the closing angle is determined by the gripping force to the operating means and the force is determined at the end effector.Je größer beide Kräfte sind, desto geringer ist der Winkel zwischen den beiden Greifern des Endeffektors. The larger the two forces, the smaller is the angle between the two grippers of the end effector.Insbesondere je größer das Verhältnis zwischen beiden ist, desto größer ist der Schließwinkel. In particular, the greater the ratio between the two is the greater the dwell angle.Zur pseudo-haptischen Wahrnehmung der am For pseudo-haptic perception of the

parallelkinematischen Manipulator, die Kräfte und Momente in den Streben und/oder die Lagerreaktionskräfte in den Gelenken der parallelkinematischen Struktur messen. parallel kinematic manipulator, the forces and moments measured in the struts and / or the bearing reaction forces in the joints of the parallel kinematic structure.Dies können zB einachsig in den Streben oder an einer Stelle mehrdimensional erfasst werden . For example, this can be detected multidimensional uniaxially in the struts or in one place.

In einer Ausführungsform wird bei der Einbringung eines solchen Feedbacks versucht, die ausgegebenen Kräfte und Auslenkungen aus der eigentlich wirkenden Kraftrichtung herauszunehmen, um somit den Regelkreis zu öffnen und damit regelungstechnische In one embodiment, an attempt is made on the introduction of such a feedback, remove the spent forces and deflections from the actually acting force direction, so as to open the loop and thus control engineering

Instabilitäten im System zu reduzieren. reduce instability in the system.Außerdem kann man die Positionsvorgabesignale abhängig von den ausgegebenen In addition to the position designation signals dependent output from the

Ein weiterer Teil der Erfindung ist der Aufbau des Slave für ein Teleoperationssystem, zB wie es oben beschrieben wurde. Another part of the invention is the structure of the slave to a teleoperation system, for example as described above.Der Slave kann natürlich auch für andere Systeme verwendet werden und ist nicht auf eine Teleoperationssystem beschränkt und umgekehrt. The slave can of course also be used for other operating systems and is not limited to a tele-operation system, and vice versa.Bei Komponenten können auch in anderen Kombinationen genutzt werden In component combinations can also be used in other

Der Slave umfasst includes The Slave

- mindestens drei als tripod angeordneten Schubstangen, die jeweils zwei aktive Freiheitsgrade in Form von Translation und Rotation aufweisen, und durch einen Antrieb jeweils in den - At least three tripod arranged as push rods, each having two active degrees of freedom in the form of translation and rotation, and by a drive in each case in the

Freiheitsgraden angetrieben werden. Degrees of freedom are driven.Es können auch mehr It is also more

- einem Endeffektor, der jeweils über kinematische Ketten mit den Schubstangen verbunden ist, wobei die kinematischen Ketten so ausgebildet sind, dass der Endeffektor in drei Dimensionen ausrichtbar ist und offenbar und schließbar ist, durch Translation oder Rotation der Schubstangen. - An end effector, which is connected in each case via kinematic chain with the push rods, the kinematic chains are formed so that the end effector in three dimensions can be aligned and clearly and closable is by translation or rotation of the push rods.In einer möglichen Ausführungsform gibt es eine kinematische Kette, die als Hauptkette ausgebildet ist, deren Rotation zu einer Rotation des Endeffektors führt und deren Verschieben zu einem Verschieben des Endeffektors führt. In one possible embodiment, there is a kinematic chain which is formed as the main chain, the rotation of which leads to a rotation of the end effector and whose displacement leads to a displacement of the end effector.

Zusätzlich gibt es zwei Ketten, die als Nebenketten ausgebildet sind, deren Verschiebung zu einem Verschieben des Endeffektors führt, und deren Rotation zu einem Öffnen oder Schließen oder Abwinkein des Endeffektors führt. In addition, there are two chains, which are formed as side chains, the displacement of which in a shifting of the end effector leads, and the rotation of which leads to an opening or closing or angling of the end effector.

In einer möglichen Ausführungsform wird die Rotationen der In one possible embodiment, the rotation is the

Nebenketten über eine Spindel und einen Schlitten in eine Side chains of a spindle and a slide in a

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines TeleoperationsSystems für die minimalinvasive Chirurgie beschrieben, was nicht The invention is described below on the basis of a teleoperation system for minimally invasive surgery, which is not

Der Slave ist in der Figur 1 dargestellt . The slave is shown in the figure the firstEr besteht aus einem parallelkinematischen Mechanismus an dessen TCP ein Endeffektor montiert ist . It consists of a parallel kinematic mechanism on which an end effector is mounted TCP.Die Position des TCP und damit die Position des Endeffektors können durch die definierte LängsverSchiebung der Schubstreben eingestellt werden . The position of the TCP and thus the position of the end effector can be set by the defined longitudinal displacement of the push rods.Die einzelnen Schubstreben werden durch separate Aktuatoren in der Antriebseinheit bewegt . The individual push rods are moved by separate actuators in the drive unit.Im Schaft des Slaves befinden sich ein Kanal für eine Kamera sowie ein Arbeitskanal . In the shaft of the slaves there is a channel for a camera and a working channel.Der Endeffektor besteht aus zwei Greifarmen zwischen welchen die Endeffektor Greifkraft (F effektor ) wirkt . The end effector comprises two gripping arms between which the end effector gripping force (F effector) acts.Der Of the

Die Figuren 2 und 3 zeigen im Vergleich den Unterschied eines herkömmlichen Systems zu dem System der vorliegenden Erfindung . Figures 2 and 3 show in comparison with the difference of a conventional system to the system of the present invention.Hierbei ist zu erkennen, dass ein Feedback über Aktuatoren nicht gegeben wird bei der vorliegenden Erfindung . It can be seen that a feedback on the actuators is not given in the present invention.Fig . Fig.4 zeigt die 4 shows the

Bedienmittel ist am TCP der Kinematik der Bedieneinheit mit der Bedieneinheit verbunden . Operating means is connected to the TCP of the kinematics of the operating unit to the operating unit.Durch Nutzereingabe in das Bedienmittel und damit in die Bedieneinheit werden Steuersignale für den Slave in das System eingegeben . Through user input into the control means and thus in the operating unit control signals for the slave in the system can be entered.Durch in der Basis des Bedienmitteies angebrachte Aktoren kann ein haptisches Feedback bezüglich der am Through mounted in the base of the haptic feedback actuators Bedienmitteies with respect to the can at the

Dies geschieht in Abhängigkeit der Kraft, die zum Schließen bzw. Aktuieren des Endeffektors nötig ist. This is done in dependence of the force which is necessary for closing and actuate the end effector.Diese entspricht aufgrund des sich einstellenden Kräftegleichgewichts der Interaktionskraft This corresponds to a result of the self-adjusting balance of powers of the interaction force

innerhalb des Mechanismus auftretenden Kräfte zu begrenzen, sind in der dritten und vierten Nebenkette Nachgiebigkeiten integriert. within the mechanism to limit the forces occurring, compliances are integrated into the third and fourth side chain.Um ein Verklemmen der Schlittenelemente zu verhindern, sind diese ebenfalls als U-förmige Spange ausgeführt. In order to prevent jamming of the carriage members, they are also designed as a U-shaped clasp.Das innerhalb der Drehgelenke 12, 13 auftretende Reibmoment wird über die This occurs within the rotary joints 12, 13 is about the friction torque

Jede der am Hauptschaft erzeugten Verschiebungen bewegt innerhalb des Hauptschaftes eine Schubstange, wobei diese Bewegung auf je eine der beiden Backen des Endeffektors zB mittels einer Each of the displacements generated at the main shaft moves within the main shaft, a push rod, which movement on each of the two jaws of the end effector, for example, by means of a

Kurvenscheibe oder eines Kniehebels 16, 17 übertragen wird. Cam or a toggle lever 16, 17 is transmitted.Die Schubstangen sind über ein Langloch bezüglich des Hauptschaftes geführt und gegen eine Verdrehung mittels eines Stifts gesperrt. The rods are guided through an elongated hole with respect to the main shaft and locked against rotation by a pin.Um die Rotation des Hauptschaftes zu erhalten, werden die am In order to obtain the rotation of the main shaft, the at